基于LoRa无线技术的便携式继电保护跳闸矩阵校验装置的设计

摘

要：常规变电站主变压器等多元件保护装置跳闸矩阵的校验通常是二次人员使用万用表校验，存在保护装置动作次数多、效率低、漏检、错检等问题。因此，研制了基于LoRa（LongRangeWideArea）无线技术的便携式继电保护跳闸矩阵校验装置。通过开关量输入模块、数据处理与无线模块、移动终端，实现校验装置的便携性设计与跳闸接点数字化处理。开发移动终端可视界面，显示各接点动作时间，将跳闸矩阵生成十六进制数值比对定值单，保存数据并生成调试报告，多元件保护装置跳闸矩阵校验调试效率提升了82%以上。关键词：LoRa无线技术；便携式；跳闸矩阵；继电保护0

引言目前继电保护装置中，类似主变保护、母线差动保护等多元件保护装置，根据不同的保护与不同的时限，跳闸的开关不同，从而在装置中整定了跳闸矩阵。在基建、例检、补充检验中，均需要对多元件保护装置进行跳闸矩阵的校验。常规跳闸矩阵校验方式一次只能测量一组接点，需要多次进行重复的保护装置调试，且两个人配合才能完成跳闸矩阵的校验。当前研究中，跳闸矩阵校验装置存在体积太大，不够便携，输入接点较少、数据显示较为简单，不能灵活显示所需的数字化信息，功能有限，不能同时测量有源接点和无源接点等问题。而当前物联网技术极速发展，大量无线技术被应用于各种电力系统检测与数据通信装置中，LoRa技术因其低功率、远距离、抗干扰、穿透性强、简单高效的特性，十分适合作为变电站内的无线传输技术。因此，将无线技术与传统跳闸矩阵校验装置相结合，利用快速发展的移动终端处理器性能，可以大大减少跳闸矩阵校验装置的体积和数据处理量，并且利用移动终端的硬件进行数据处理、显示和保存，提高多元件保护跳闸矩阵校验效率，符合当前数字化变电站的发展趋势。本文研制了一种基于LoRa无线技术的便携式继电保护跳闸矩阵校验装置，采用无线技术将多元件继电保护装置采集的跳闸矩阵开关量信息进行数字化转换，并发送至各种移动终端。该装置单人即可完成操作，无线手持终端不被采集装置位置束缚，且具有友好的人机交互界面，跳闸矩阵数据处理、显示和保存人性化，缩短了基建、例检、验收调试时间与停电时间，减少了工作人员的数量，降低了人工成本，相比于传统的跳闸矩阵验证方式，校验调试效率提升了82%以上。1

LoRa无线技术LoRa是一种低功率的无线网络协议，被广泛应用于电力物联网领域。LoRa相比于Wi-Fi、蓝牙通信，具有传输距离远和抗干扰性强两大优势，一座基站在变电站室内覆盖半径可达2～3km，室外覆盖半径可达5km，同时其传输速率为几百到几十千比特每秒。在继电保护校验任务中应用LoRa无线技术，不仅可以满足校验数据的传输速率需求，还可以大幅提升远距离下的抗干扰性，从而提升数据传输整体稳定性。2

校验装置设计目前，在变电站多元件继电保护装置校验时，除了校验各保护动作逻辑的正确性外，还需要校验各保护装置的出口情况，以主变保护为例，需要验证其跳闸矩阵，横坐标为装置的出口跳闸或启动功能，纵坐标为各保护类型，如表1所示。在常规的保护装置测试方法中，测量人员需要采用万用表逐一测试表1中的数值，完成一次测试需要检测200次以上，通常会消耗巨大的人力和时间成本。此外，逐一检查接触点位有效性时，很容易发生万用表接触不良导致误判的情况，进而威胁电网安全稳定运行。在常规的测试方法基础上，本文设计的校验装置采用了多口智能跳闸矩阵测试法，通过十六进制的方式，完成同一控制字同步校验，将所有的出口接点接入装置，一次试验可将出口动作先后顺序及时记录，从而有效提高保护装置测试效率，减少装置动作次数，减轻测试任务。2.1

硬件电路设计测试法所采用的硬件电路连接方式如图1所示。设计方案中，保护装置的高压电与110V的低压电通过中间继电器进行隔离。在高压侧，保护装置输出的待检测电压通过限流电阻接入中间继电保护器中，当某个跳闸出口动作后，信号电流会连通中间继电器，触发继电器常开触点闭合。在弱电侧，当常开触点闭合后，接入模组的电位被拉低，从而通过干湿接点兼容电路，接入到STM32F103RCT6主控芯片中，之后通过OLED模块进行可视化展示，并由2.4GHz无线传输模块借助LoRa技术发送测试位数据接入移动终端。2.2

干湿接点兼容模块设计方案干湿接点兼容采集电路可以起到测量对象切换的效果，设计方案如图2所示。U1为光电耦合器，U2为常闭型固态继电器，K1为常规电磁继电器。其中P_CH1和N_CH1通过设备外壳的插座引出，作为测量接点逻辑状态的输入口。SW是接点模式切换自锁开关，用于切换干湿接点测量状态。上电后，默认支持湿接点，此时若P_CH1接+110V，由于光耦U1导通，则IN1输出低电平；此时若P_CH1接入0V或-110V，由于D3的单向导电性，光耦不导通，IN1输出高电平。此时若接线错误，P_CH1和N_CH1短接，则与P_CH1接入0V一样，IN1输出高电平，从而达到有效值测量的目的。2.3

LoRa无线通信架构设计LoRa无线数据传输模块具有距离远、功率低、传输稳定等优点，跳闸接点输入与各开入动作时间数据可以透传至手机、平板或电脑等移动终端进行显示，从而高效地进行站内继电保护装置大规模同步检验。所设计的无线模块与组网后的分布式智能检测系统如图3所示。通过将测试生成的结果传入移动终端，将接点动作时间、跳闸矩阵生成十六进制值，方便与定值单比对，并且生成测试报表，上传至故障信息系统。3

校验测试为了精准校验动作时间，本检测方法采用了以段为基础单位的测试方法，每一特定时限保护为一单独的时限逻辑。计算公式如下：T=C×Ta×保护逻辑数量式中：T为跳闸矩阵校验时间；C为保护装置套数；Ta为单个逻辑平均校验时间。在220kV与110kV变电站主变开展测试，得到的结果如表2所示，测试装置如图4所示。4

结论本文设计了一种基于LoRa无线技术的便携式继电保护跳闸矩阵校验装置，与原始的人工逐项检测相比，具有以下显著优点：（1）有效提升了测试结果的准确性和可靠性。在移动终端内部部署了测试算法，显示接点动作时间，并将跳闸矩阵生成十六进制值方便与定值单比对，在传统的人工校验和机器校验的基础上，校